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超临界水堆候选材料腐蚀行为的研究

作　者: 李力
导　师: 张乐福
学　校: 上海交通大学
专　业: 核能科学与工程
关键词: 超临界水堆 包壳材料 腐蚀 应力腐蚀开裂 慢应变速率拉伸
分类号: TG172
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


超临界水堆（SCWR）相比现有轻水反应堆（LWR）具有更高的热效率与设备简化等诸多优势,被选为第四代核反应堆概念设计之一。然而,超临界水温度高、且对金属材料有极强的腐蚀性,SCWR核燃料包壳的选择面临着巨大的困难。堆压水堆中广泛使用的锆合金燃料包壳材料由于高温强度不足、且氧化速度过快,无法在超临界水堆中作为包壳材料使用。人们对用于超临界火电、航空发动机、压水堆核电站、聚变堆以及快堆的材料进行了筛选,得到了一系列候选材料,但其在超临界水堆堆环境的适用性,尤其是耐腐蚀性能,需要进行深入的研究。本文完成了奥氏体不锈钢800H、HR3C、316Ti和镍基合金718在650。C/25MPa超临界水中的腐蚀实验。实验结果表明,316Ti在超临界水中均匀腐蚀严重,表面氧化膜发生剥落现象,而HR3C、718、800H在3000小时实验后的腐蚀增重均小于50mg/dm2,在抗均匀腐蚀性能方面性能优异。本文还研究了表面处理（盐浴复合处理、电镀Cr和磁控溅射Cr）对9Cr、12Cr和改进型12Cr铁素体/马氏体（F/M）钢在550。C/25MPa超临界水中的抗腐蚀性能的影响。结果表明,经过1000小时的腐蚀实验后,未经任何表面处理的F/M钢在超临界水中表现出很高的腐蚀速率,而盐浴复合处理并不能改善F/M钢的抗腐蚀性能,电镀Cr和磁控溅射Cr处理则能大大降低F/M钢的腐蚀速率。其中经过磁控溅射Cr处理的9CrF/M钢、磁控溅射Cr和电镀Cr处理的改进型12CrF/M钢这三种试样的腐蚀增重均低于50mg/dm2。本文通过应变速率为1×10-6s-1的慢应变速率拉伸实验研究了奥氏体不锈钢AL-6XN（未辐照和辐照过）、316Ti、HR3C、TP347HFG和镍基合金718在550。C、600。C、650℃/25MPa超临界水中的应力腐蚀开裂敏感性。在这五种候选材料中,AL-6XN表现出最好的塑性,并且在550。C时的应力应变曲线中观察到了动态应变时效现象,主要原因是溶质原子和位错之间的相互作用。随着温度从550。C升高到650℃,316Ti由于材料的软化屈服强度和抗拉强度下降同时延伸率上升,而HR3C和TP347HFG则因为发生应力松弛强度和延伸率均同时下降。镍基合金718则表现出高于之前四种奥氏体不锈钢的屈服强度与抗拉强度,但是延伸率却是所有材料里最低的。在本次实验中,AL6XN在650℃、HR3C和TP347HFG在550。C、718在550。C和650。C超临界水中的断口表面均观察到有沿晶断裂。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章 绪论  13-17
  1.1 第四代核能系统  13
  1.2 超临界水堆  13-14
  1.3 超临界水堆包壳材料  14-16
  1.4 课题研究的目的及意义  16-17
第二章 材料在超临界水中的腐蚀  17-22
  2.1 超临界水的特性  17
  2.2 金属高温氧化动力学  17-18
  2.3 超临界水中材料表面氧化膜  18
  2.4 金属氧化动力学曲线  18-19
  2.5 应力腐蚀开裂  19
  2.6 应力腐蚀开裂机理  19-20
    2.6.1 阳极溶解机理  19-20
    2.6.2 氢脆机理  20
  2.7 辐照促进应力腐蚀开裂  20
  2.8 应力腐蚀开裂研究方法  20-22
    2.8.1 恒变形  20-21
    2.8.2 恒载荷  21
    2.8.3 慢应变速率拉伸  21-22
第三章 材料在超临界水中的腐蚀研究现状  22-28
  3.1 材料在超临界水中的均匀腐蚀研究现状  22-25
    3.1.1 腐蚀温度  22-23
    3.1.2 腐蚀时间  23-24
    3.1.3 溶解氧  24
    3.1.4 合金元素  24-25
  3.2 材料在超临界水中的应力腐蚀研究现状  25-27
    3.2.1 实验介质对的影响  25
    3.2.2 温度的影响  25
    3.2.3 压力的影响  25-26
    3.2.4 辐照对的影响  26
    3.2.5 晶界工程的影响  26
    3.2.6 应变速率的影响  26-27
    3.2.7 溶解氧的影响  27
    3.2.8 焊接的影响  27
  3.3 SCC敏感性评价方法  27-28
第四章 实验材料选择  28-32
  4.1 奥氏体不锈钢  28-29
    4.1.1 316Ti  28
    4.1.2 800H  28
    4.1.3 HR3C  28-29
    4.1.4 AL-6XN  29
    4.1.5 TP347HFG  29
  4.2 镍基合金  29-30
  4.3 铁素体/马氏体钢  30-32
    4.3.1 QPQ  30-31
    4.3.2 电镀  31
    4.3.3 磁控溅射  31-32
第五章 材料在超临界水中的均匀腐蚀实验  32-44
  5.1 实验方案  32-34
    5.1.1 奥氏体不锈钢与镍基合金  32
    5.1.2 铁素体/马氏体钢  32-34
  5.2 实验设备  34-35
  5.3 实验过程  35-37
    5.3.1. 试样准备  35-36
    5.3.2 高压釜运行  36-37
    5.3.3 实验运行状况  37
  5.4 实验结果与分析  37
  5.5 奥氏体不锈钢和镍基合金  37-39
  5.6 铁素体/马氏体钢  39-44
    5.6.1 腐蚀增重  39-40
    5.6.2 表面SEM分析  40-43
    5.6.3 实验小结  43-44
第六章 材料在超临界水中的慢应变速率拉伸实验  44-70
  6.1 实验方案  44-45
  6.2 实验设备  45
  6.3 实验过程  45-48
    6.3.1 试样准备  45-46
    6.3.2 高压釜与慢拉伸机运行  46-48
  6.4 实验结果与分析  48-49
    6.4.1 应力应变曲线  48
    6.4.2 断口分析  48-49
  6.5 AL-6XN  49-54
    6.5.1 应力应变曲线  49-50
    6.5.2 动态应变时效  50-52
    6.5.3 断口SEM分析  52-54
    6.5.4 实验小结  54
  6.6 316Ti  54-58
    6.6.1 应力应变曲线  55-56
    6.6.2 断口SEM分析  56-58
    6.6.3 实验小结  58
  6.7 HR3C  58-61
    6.7.1 应力应变曲线  58-60
    6.7.2 断口SEM分析  60-61
    6.7.3 实验小结  61
  6.8 TP347HFG  61-65
    6.8.1 应力应变曲线  62-63
    6.8.2 断口SEM分析  63-64
    6.8.3 实验小结  64-65
  6.9 718  65-67
    6.9.1 应力应变曲线  65-66
    6.9.2 断口SEM分析  66-67
    6.9.3 实验小结  67
  6.10 实验总结  67-70
第七章 结论与展望  70-72
  7.1 主要结论与成果  70
  7.2 展望  70-72
参考文献  72-76
致谢  76-77
攻读硕士期间已发表或录用的论文  77

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属腐蚀与保护、金属表面处理 > 各种类型的金属腐蚀
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